عملیات حرارتی آلومینیوم-انواع عملیات حرارتی آلومینیوم

عملیات حرارتی آلومینیوم

به منظور حصول خواص دلخواه بر روی آلیاژهای کارپذیر و ریختگی آلومینیوم عملیات های متفاوتی صورت می گیرد. که در زیر به صورت جزئی به آنها اشاره می شود. برای مطالعه ی بیشتر در این رابطه به کتب نوشته شده در مرجع مراجعه شود.

عملیات حرارتی آلومینیوم

آنیل (Anneal):

برای آلیاژهای عملیات حرارتی پذیر. و همچنین غیر عملیات پذیر به منظور حذف تأثیرات ویژه ی کار سرد صورت می گیرد. نسبت نرم سازی آلیاژ وابسته به دما خواهد بود. متناسب با دما زمان لازم برای آنیل. می تواند از چندین ساعت در دمای کم به چندین ثانیه در دماهای زیاد تغییر کند.

آنیل جزی (Partial Annealing):

آنیل تنش زدایی (Stress Relief annealing):

برای آلیاژهای کار شده ی قابل عملیات حرارتی. عملیات آنیل صرف فقط به حذف تأثیرات مرتبط به منحنی کشش منحصر می شود. بنابراینن به آلین تنش زدایی تأکید می شود. عملیات آنیل تعیرف شده برای تنش زدایی آلومینیوم درجه حرارت های حدود 345 درجه ی سانتی گراد را به کار می گیرند. و البته این امر ممکن است فقط به اصلاح و بهبود کریستال سلزی جزیی و یا کامل نتیجه دهد.

آنیل مربوط به ریخته گری ها (Annealing of Casting):

عملیات آنیل مربوط به ریخته گری ها عموماً. برای 2 تا 4 ساعت و در درجه حرارت 315 تا 345 درجه ی سانتی گراد انجام می شود.

پیرسازی رسوبی (Precipitation Hardening):

از این عملیات برای افزایش استحکام و سختی آلیاژهای آلومینیوم ریخته گری. و کار شده با مکانیزم سخت سازی رسوبی استفاده می شود.

حروف مختلفی که بعد از نام آلیاژ قرار می گیرد. به معنای انجام گرفتن عملیات خاص بر روی آن می باشد. که در زیر به آنها اشاره می شود.

F: یعنی هیچ فرآیند اضافی برای سخت کاری و بهبود خواص استحکام آلیاژ انجام نشده است.

O: آنیل یا نرم سازی با گرم کردن و سرد کردن به صورت کنترل شده.

H: سخت کاری کرنشی یا کار سخت شده با روش کار سرد.

T: محصول تحت عملیات حرارتی پیر سختی و گاهاً در عملیات کارسرد قرار گرفته است.

علائم اختصاری عملیات حرارتی آلومینیوم:

T1: به طور طبیعی پیر سازی می شود. محصول از دمای بالای شکل دهی سرد می شود. و پس از یک حالت اساس پایدار به طور طبیعی پیرسازی میشود.

T2: سرد شده از یک فرآیند شکل دهی با دمای بالا + کارسرد+ پیرسازی طبیعی در یک شرایط اساساً پایدار.

T3: عملیات حرارتی انحلال + کارسرد+پیرسازی طبیعی در یک شرایط اساساً پایدار.

T4: عملیات حرارتی انحلال + پیرسازی طبیعی در یک شرایط اساساً پایدار.

T5: سرد شده از یک فرآیند شکل دهی با دمای بالا + پیرسازی مصنوعی.

T6: عملیات حرارتی انحلال + پیرسازی مصنوعی.

T7: عملیات حرارتی انحلال + پایدار سازی.

T8: عملیات حرارتی انحلال + کارسرد+پیرسازی مصنوعی.

T9: عملیات حرارتی انحلال + پیرسازی مصنوعی+ کار سرد.

T10: سرد شده از یک فرآیند شکل دهی با دمای بالا + کارسرد + پیرسازی مصنوعی.

عناصر و تأثیر آنها در آلیاژهای آلومینیوم

به طور کلی لغت آلیاژ به معنی افزودن یک یا چند عنصر. یا ترکیبی از آنها به فلز پایه برای دستیابی به یکسری خواص خاص می باشد. تغییر خواص ناشی از افزودن این عناصر بسته به نوع عنصر پایه و عناصر آلیاژی اضافه شده. می تواند منحصراً وابسته به یک عنصر یا ترکیبی از عناصر اضافه شده باشد.

از آنجا که استحکام و سختی فلز خالص همیشه کمتر از آلیاژهای آن فلز می باشد. عموماً از فلزات به صورت آلیاژی استفاده می شود. و از فلز خالص معمولاً در کاربردهای ویژه استفاده می شود. آلومینیوم با دارا بودن آلیاژهای مختلف با ترکیب و خواص متفاوت در محدوده کاربردی فراوانی توانسته است ایفای نقش کند.

معمولاً هرچه فلز خالص تر باشد استحکام آن کمتر ولی نرمی و پایداری شیمیایی آن زیادتر است. اگرچه آلیاژهای آلومینیوم دارای استحکامی بیشتر از آلومینیوم خالص هستند.

اما این استحکام برای کاربردهایی که تحت تنش های بالا هستند. کافی نیست و لذا این آلیاژها نیز نیاز به افزایش استحکام بیشتری دارند. و به همین دلیل از روش های مختلف استحکام آن را افزایش می دهند.

این روش ها عبارتند از

1- کرنش سختی (کار سختی): کار سختی اصطلاحی است که برای مفهوم سخت شدن و افزایش استحکام فلز در اثر فرایندهای کارسرد مثل : نورد، کشش، پرس و … عنوان می گردد.

2- عملیات حرارتی انحلال – پیر سختی: یک نوع عملیات حرارتی است که بر روی آلیاژهای آلومینیوم انجام می پذیرد. و باعث افزایش استحکام و سختی قطعه می شود.

هر یک از این روش ها از طریق مکانیزم خاص خود استحکام فلز را افزایش می دهند. ترکیبی از عملیات حرارتی پیر سختی و آلیاژسازی توانسته است .استحکام آلومینیوم را به حدی برساند که در برخی موارد جایگزین فولاد شود. قبل از بررسی مشخصات آلیاژهای آلومینیوم لازم است . تا تأثیر هر عنصر به صورت منفرد بر خواص فلز پایه آلومینیوم بررسی گردد.

تأثیر عناصر آلیاژی

هر یک از عناصر آلیاژی به تنهایی یا در حضور سایر عناصر خواص ویژه ای را به آلومینیوم می دهد. تأثیر هر یک از عناصر درحالتی که به تنهایی به فلز پایه آلومینیوم افزوده گردد. را به صورت زیر میتوان دسته بندی کرد.

  1. مس (CU):

بیشترین مقدار مس که در آلیاژهای آلومینیوم مورد استفاده قرار گرفته است حدود 4 تا 10 درصد می باشد. مس باعث بهبود استحکام و سختی در حالت ریختگی و عملیات حرارتی می گردد. آلیاژهای دارای 4 تا 6 درصد مس، بسیار عملیات حرارتی پذیرند. مس عموماً مقاومت به خوردگی و در برخی ترکیبات شیمیایی حساسیت به خوردگی ناشی از تنش را کاهش می دهد. افزودن مس مقاومت به ترک گرم و قابلیت ریخته گری را کاهش می دهد.

2. سیلیسیم (Si)

سیلیسیم باعث بهبود شرایط ریخته گری میشود .و شدیداً سیالیت، مقاومت به ترک گرم و خاصیت مذاب رسانی آلومینیوم را بهبود می بخشد. خانواده آلیاژهای آلومینیوم سیلیسیوم کاربرد بسیاری در صنعت دارد. و به صورت یوتکتیک و هیپو یوتکتیک و هایپر یوتکتیک تا 25 درصد سیلیسیم مصرف می شوند. به طور کلی مطلوب ترین مقدار سیلیسم برای قطعات ریختگی در فرایندهای توأم با سرعت سرد شدن آهنسته. نظیر ریخته گری در ماسه. ریخته گری دقیق و نیز ریخته گری گچی بین 5-7 درصد، بین قالب های دائمی بین 7-9 درصد. و در ریخته گری تزریقی بین 8-12 درصد می باشد.

3. منیزیم (mg)

این عنصر اساس بهبود استحکام و سختی در آلیاژهای آلومینیوم – سیلیسیم عملیات حرارتی پذیر می باشد. و عموماً در آلیاژهای آلومینیوم – سیلیسیم. به همراه سایر عناصر نظیر مس و نیکل. به همین منظور مورد استفاده قرار می گیرد.

آلیاژ آلومینیوم – سیلیسیم دارای منیزیمی بین 0.07 الی 0.4 درصد هستند. آلیاژهای 2 تایی الومینیوم منیزیم به طور گسترده در کاربردهایی که نیاز به سطح تمام شده روشن و مقاومت خوردگی. و همچنین ترکیبی از استحکام و شکل پذیری دارند مورد استفاده قرار می گیرد.

4. روی (zn)

روی به تنهایی اثر چندان مفیدی بر آلومینیوم ندارد. ولی همراه با مس و یا منیزیم باعث ایجاد خواص جالب عملیات حرارتی و پیر سختی طبیعی می گردد. روی بیشتر در ترکیبات شیمیایی آلیاژهایی که از طریق دایکست و ریخته گری ثقلی تهیه می شوند، یافت می شود.

5. قلع (sn)

این عنصر به طور مؤثر خاصیت ضد اصطکاکی را بهبود می بخشد و بنابراین برای کاربردهای یاتاقانی مفدی می باشد. آلیاژهای ریختگی ممکن است تا 25 درصد قطع داشته باشند. افزایش قلع همچنین باعث بهبود خاصیت ماشینکاری می شود. قلع ممکن است در بعضی آلیاژها عمل رسوب سختی را تحت تأثیر قرار دهد.

6. سرب (pb)

وجود سر در آلیاژهای ریختگی آلومینیوم در مقادیر بیش از 0.1 درصد باعث بهبود خاصیت ماشین کاری می شود.

7. آهن (Fe)

این عنصر مقاومت به ترک گرم را بهبود داده. و چسبیدن قطعه به قالب یا به عبارتی. جوش خوردن قطعه به قالب در ریخته گری تزریقی را کاهش می دهد. افزایش زیاد آهن باعث کاهش فرم پذیری می شود. آهن با سایر عناصر در مذاب واکنش داده. و باعث ایجاد ترکیبات بین فلزی و یا فازهای غیر محلول در مذاب آلومینیوم می شود. که وجود این فازها استحکام در دماهای کاربردی بالا را بهبود می بخشند. افزایش آهن که باعث فازهای غیر محلول می گردد. موجب کاهش خاصیت سیالیت و مذاب رسانی می شود. آهن همراه با سایر عناصر نظیر منگنز و کروم ترکیبات بین فلزی پیچیده و یا لجن تولید می کند.

8. منگنز (Mn)

عنصر منگنز در مقادیر کم برای کنترل اثر تخریبی آهن به صورت فازهای شکننده و ترد به کار می رود. مقدار منگنز در حدود نصف درصد آهن می باشد. منگنز به عنوان عنصر آلیاژی در ترکیبات آلیاژهای کار پذیر به کار می رود. شواهدی وجود دارد مبنی بر اینکه کسر حجمی زیاد MnAl6. در آلیاژهای حاوی بیش از 50% منگنز به طور مؤثری بر سلامت قطعات ریختگی تأثیر می گذارد.

9. کروم (Cr)

افزودن کروم باعث ایجاد ترکیبات بین فلزی CrAl7 می شود. و چون این ترکیبات حلالیت بسیار کمی در حالت جامد دارند. از رشد دانه جلوگیری می کنند. کروم در برخی از آلیاژهای مقاومت به خوردگی را بهبود داده. و در مقادیر بالاتر حساسیت به سریع سرد شدن را افزایش می دهد.

10. نیکل (Ni)

این عنصر همراه با مس مقاومت در درجه حرارت بالا را افزایش داده. و همچنین ضریب انبساط حرارتی را کاهش می دهد.

11. فسفر (P)

فسفر به صورت 3A1P باعث جوانه زنی. و ریز شدن فاز سیلیسیم اولیه در آلیاژهای هایپر یوتکتیک آلومینیوم – سیلیسیم می شود. فسفر اثر اصلاح سازی سدیم و استرانسیم را از بین می برد.

12. تیتانیوم (Ti)

این عنصر برای ریز کردن ساختار در آلیاژهای ریختگی آلومینیومبه کار می رود. و معمولاً همراه با مقادیر کمی از بور استفاده می شود.

13. آنتیموان (Sb) و سدیم (Na)

هر دوی این عناصر در مقادیر کم در حدود 0.05 درصد. جهت اصلاح و بهسازی سیلیسیم. در آلیاژهای آلومینیوم – سیلیسیم بکار می رود.

عملیات حرارتی آلیاژهای آلومینیوم

در آلیاژهای آلومینیوم، عملیات حرارتی برای آلیاژهای معینی بکار می رود. که می توان با آن استحکام و سختی را افزایش داد. این آلیاژها را عملیات حرارتی پذیر Heat treatable می گویند. در برابر این آلیاژهایی وجود دارند. که با سیکل های حرارتی و سرد کردن نمی تواند استحکام آنها را افزایش داد. برای مشخص کردن و تمییز قایل شدن با آلیاژهای قبلی. این آلیاژها را عملیات حرارتی ناپذیر (None – heat treatable) می نامند. تنها روش استحکام این آلیاژها، انجام کار سرد است. حرارت دادن هر دو نوع آلیاژ تا دمای مشخص برای افزایش داکتیلیتی و کاهش استحکام (آنیل) متداول بوده و با توجه به درجه نرم شدن، واکنش های متالوژیکی مختلفی در ریز ساختار رخ می دهند.

خاصیت بسیار مهم در سیستم های آلیاژی رسوب سختی شونده، وابستگی قابلیت انحلالی تعادلی به دما است. که با افزایش درجه حرارت، قابلیت انحلالی نیز افزایش می یابد. این رفتار در اکثر سیستم های دوتایی A1 مشاهده می شود. هرچند که در برخی از آلیاژهای آن رسوب سختی کمتری دیده می شوند. که همان آلیاژهای عملیات حرارتی ناپذیر را تشکیل می دهند. به عنوان مثال ، در آلیاژهای با سیستم دوتایی -A1 Si,Al-Mn خواص مکانیکی بعد از عملیات حرارتی افزایش نمی یابد. با این وجود رسوبات قابل توجهی تشکیل می شود.

رابطه دما – انحلال برای سیستم های رسوب سختی Al-Cu توضیح داده می شود. قابلیت انحلال مس در آلومینیوم با افزایش دما افزایش می یابد. (0.25% در دمای 250 درجه ی سانتی گراد. به حداکثر 5.65% در 548 درجه سانتی گراد دمای یوتکیتیک) در آلیاژهای Al-Cu که دارای 0.2% – 5.6% مس هستند. دو حالت تعادلی مجزا وجود دارند. در دماهای بالای منحنی Solvus مس کاملاً حل می شود. و اگر در این دما نگه داشته شود.

و با فرض کافی بودن زمان، مس کاملاً وارد محلول جامد می شود. و در دماهای کمتر از Solvus حالت تعادلی از دو فاز تشکیل می شود. محلول جامد a و فاز ترکیب بین فلزی – Ө(Al2Cu). اگر چنین آلیاژی که در دمای بالای Solvus کاملاً به صورت محلول جامد است. تا دمای زیر این دما سرد شود محلول جامد فوق اشباعی تشکیل می شود. که در این حالت آلیاژ شرایط تعادلی دو فازی را دنبال می کند. و فاز دوم تمایل دارد که با رسوب در حالت جامد تشکیل شود.

آلیاژهای غیر قابل عملیات حرارتی آلومینیوم

در میان آلیاژهای کار پذیر آلومینیوم، آلیاژهای آلومینیوم – منگنز (3xxx) و آلیاژهای آلومینیوم – منیزیم (5xxx) قابلیت انجام حرارتی را ندارند.

آلیاژهای آلومینیوم – منگنز

حلالیت منگنز در آلومینیوم 1.82 درصد است. ولی مقدار منگنز در آلیاژهای آلومینیوم برابر با 1.25 درصد است. علت این اختلاف حضور آهن به عنوان ناخالصی است. که باعث کاهش حلالیت می شود. تنها آلیاژ پر مصرف آلومینیوم – منگنز، آلیاژ 3003 است. افزودن منگنز به آلومینیوم از طریق تشکیل محلول جامد و توزیع ظریف رسوب های نامحلول. استحکام آن را افزایش می دهد. افزودن یک درصد منیزیم منجر به افزایش بیشتر استحکام می شود. آلیاژهای گروه 3xxx دارای استحکام متوسط، انعطاف پذیری بالا و مقاومت خوردگی مطلوبی هستند. این آلیاژها برای ساخت قوطی های نوشابه، وسایل آشپزخانه و پخت و پز به کار می روند.

آلیاژهای آلومینیوم – منیزیم

آلومینیوم و منیزیم در محدوده وسیعی از ترکیب شیمیایی تشکیل محلول جامد می دهند و آلیاژهای کارپذیری تولید می کنند. که حاوی 0.8 الی 5 درصد منیزیم است. مستحکم ترین آلیاژ این گروه 5456 است که استحکام کششی آن برابر با 310 مگا پاسکال است. اگر در این آلیاژها مقدار منیزیم بیش از 3-4 درصد باشد. فاز β یا Mg3Al۸ روی مرز دانه ها و نوارهای لغزشی رسوب می کند. و همین موضوع منجر به خوردگی بین دانه ای و ایجاد ترک در اثر خوردگی تنشی می شود. افزودن کروم و منگنز می تواند از این مسئله جلوگیری کند. این آلیاژها در بدنه کامیون ها، مخازن بزرگ حمل بنزین، شیر و دانه های غلات. مخازن تحت فشار (به خصوص در دماهای پایین). بدنه قایق های کوچک و کشتی های اقیانوس پیما مورد استفاده قرار می گیرند.

آلیاژهای عملیات حرارتی پذیر آلومینیوم

در میان آلیاژهای کار شده آلومینیوم، آلیاژهای سری 7xxx,6xxx,2xxx قابلیت انجام عملیات حرارتی را دارند.

آلیاژهای آلومینیوم – مس و آلومینیوم – مس – منیزیم

تغییراتی که در حین پیر کردن آلیاژهای آلومینیوم – مس رخ می دهد. بسیار بیشتر از سایر آلیاژها مورد توجه قرار گرفته است. اما تنها چند آلیاژ تجاری بر پایه این سیستم وجود دارد. آلیاژ 2011 قابلیت ماشین کاری خوبی دارد. ولی امروزه آلیاژ 2219 به علت خواص مناسب تر، جای آلیاژ 2011 را گرفته است. آلیاژ 2219 دارای خواص کششی بالا، استحکام خزشی خوب و چقرمگی زیادی است.

آلیاژهای آلومینیوم – مس – منیزیم در سال 1906. بطور اتفاقی در برلین ساخته شدند و تحقیقات انجام شده. روی این آلیاز منجر به پیدایش آلیاژ دورآلومین شد. معمولاً این آلیاژها و سایر آلیاژهای گروه 2xxx. به وسیله روش نوردی با آلومینیوم یا آلیاژ آلومینیوم – روی پوشش داده می شوند. تا مقاومت به خوردگی مطلوبی را ایجاد کنند. در یک استحکام کششی برابر، آلیاژهای گروه 2xxx از آلیاژهای گروه 7xxx چقرمگی شکست پایین تری را نشان می دهند. دلیل این مسئله، اندازه بزرگ ترکیبات بین فلزی در آلیاژ های 2xxx است. با کاهش مقادیر آهن، سیلیسیم و مس، چقرمگی شکست و انعطاف پذیری بهبود می یابد. این آلیاژها در هواپیما و صنایع اتومبیل سازی به کار می روند.

آلیاژهای آلومینیوم – منیزیم – سیلیسیم

آلیاژهای آلومینیوم – منیزیم – سیلیسیم به عنوان آلیاژهای ساختمانی به کار می روند. این آلیاژها دارای خواص جوش پذیری، مقاومت در برابر خوردگی و خوردگی تنشی هستند. این آلیاژها بیشتر به صورت اکسترود شده به کار می روند. آلیاژهای این گروه به سه دسته تقسیم بندی می شوند.

1- آلیاژهایی با مقدار منیزیم و سیلیسیم بین 0.8 تا 1.2 درصد که به آسانی اکسترود می شوند. محصول خروجی از اکستروژن قابلیت کوئنچ دارد. و نیاز به عملیات محلول سازی جداگانه نیست.

2-آلیاژهای دو دسته دیگر حاوی مقادیر منیزیم و سیلیسیم بیش از 1.4 درصد هستند. این آلیاژها پس از اکسترود شدن به عملیات محلول سازی و کوئنچ نیاز دارند.

3- آلیاژها دسته سوم دارای مقدار سیلیسیمی بیش از مقدار مورد نیاز برا تشکیل Mg2Si هستند. افزایش مقدار سیلیسیم منجر به ریز شدن اندازه Mg2Si و رسوب سیلیسیم می شود. و به پیرسختی کمک زیاد می کند.

آلیاژهای آلومینیوم – روی – منیزیم و آلومینیوم – روی – منیزیم – مس

آلیاژهای آلومینیوم – روی – منیزیم در میان کلیه آلیاژهای آلومینیوم بیشترین پتانسیل پیرسختی را دارند. در آلیاژهای پر استحکام این گروه از مس به مقدار کمتر از 0.3 درصد. برای افزایش مقاومت به خوردگی تنشی استفاده می شود. آلیاژهایی که فاقد مس یا دارای مقادیر اندکی مس هستند. به آسانی جوشکاری می شوند. این آلیاژها در دمای محیط به طور قابل ملاحظه ای پیرسخت شده. و محدوده وسیع دمایی برای عملیات محلول سازی آنها وجود دارد. بنابراین در هنگام جوشکاری، استحکام آلیاژ بازیابی می شود. و نیاز به عملیات حرارتی دیگری نیست. آلیاژهای آلومینیوم – روی- منیزیم – در ابتدا برای ساخت پل های نظامی سبک مورد استفاده قرار گرفتند.

امروزه برای کنترل ساختار این آلیاژها از عناصر کروم، منگنز و زیر کونیوم استفاده می شود. آلیاژهای آلومینیوم – روی – منیزیم – مس بیشترین میزان پیرسختی را از خود نشان می دهند. نیاز صنایع نظامی به استفاده از آلیاژهای هواپیمایی که نسبت استحکام به وزن آن ها بالا باشد. در نهایت منجر به تولید آلیاژهای گروه Al-Zn-Mg-Cu شد. آلیاژ 7075 شناخته شده ترین آلیاژ این گروه است.

صفحه مهندسی مواد و متالورژی – مجله علمی ویکی پی جی

شرکت خشکه و فولاد پایتخت (( مدیریت : جواد دلاکان )) صنعتگران عزیز، افتخار داریم. که سی سال تجربه گرانبهای خویش را در زمینه عرضه انواع ورق آلیاژی. و انواع فولاد آلیاژی برای خدمت رسانی به شما هموطنان کشور عزیزمان ایران ارائه می دهیم. پیشاپیش از اینکه شرکت خشکه و فولاد پایتخت را جهت خرید خود انتخاب می نمایید سپاسگزاریم.
ارتباط با ما:
۰۹۱۲۱۲۲۴۲۲۷
۰۹۳۷۱۹۰۱۸۰۷
تلفن: ۰۲۱۶۶۸۰۰۲۵۱
فکس: ۶۶۸۰۰۵۴۶